交流磁軸承原理及研究發展現狀

黃振躍，魏杰，朱熀秋

(江蘇大學 電氣信息工程學院,江蘇 鎮江 212013)

磁懸浮軸承(簡稱磁軸承)是利用電磁力將轉子懸浮于空間，實現轉子和定子之間無機械接觸的一種新型軸承，因此其具有無摩擦、無磨損、不需潤滑及密封、高速、高精度及長壽命等優點，改變了傳統的接觸支承形式[1]。按功放控制電流類型分類，可將磁軸承分為直流式與交流式。直流式磁軸承功率放大器價格高，體積大,一個徑向磁軸承通常需要四路單極性功率放大電路[2-4]；而交流式磁軸承采用交流三相功率逆變器給控制線圈繞組提供勵磁電流，一個三相功率逆變器就可完全控制徑向兩個自由度，且三相逆變器應用技術成熟、價格便宜、體積小巧，采用矢量控制策略，易于控制系統軟件的編程與移植，從而整體上減小了磁軸承控制系統成本[5-8]。因此，交流式磁軸承在磁軸承電主軸系統、無軸承電動機、高速飛輪儲能系統等需磁懸浮支承的高速運動場合具有很好的應用前景。

1 交流磁軸承系統組成及其基本原理

一個剛體在空間的運動包括平動和轉動，共6個自由度[9]。文中描述的主動磁軸承的狀態是繞主軸即z方向轉動，從而需對余下的5個自由度進行控制，這就要求有兩個徑向軸承(各負責x，y兩個方向)和一個軸向軸承(負責z方向)，由此構成一個完整的電磁軸承系統。

這里以一個交流兩自由度混合磁軸承為例來說明其工作原理[7-8, 10]。圖1為交流兩自由度混合磁軸承的工作原理圖。交流磁軸承的工作原理是基于無軸承電動機的原理，使轉矩繞組極對數P1為0，懸浮力繞組極對數P2為1，滿足徑向懸浮力產生的條件P2=P1±1，采用三相功率逆變器對懸浮力繞組提供驅動電流，因而這種結構的無軸承電動機實際就變成了只產生徑向懸浮力的磁軸承[8,10-11]。根據電動機理論，三相繞組通上三相交流電后，可產生一個旋轉磁場，形成一個單極合成磁通。當磁軸承受到徑向擾動時，轉子偏離徑向參考平衡位置，位置傳感器檢測出轉子的徑向偏移位置x與y，并反饋至徑向控制器，與參考平衡位置x*及y*相比較后，控制器計算出轉子的偏移量x與y，再將其轉變成控制信號，通過電流跟蹤功率逆變器(CRPWM)對徑向3個控制線圈提供三相控制電流ia，ib和ic，使得徑向三相繞組中控制電流產生的合成單極磁通可指向與位置偏移相反的方向，產生相應的徑向磁懸浮力，使轉子回到徑向平衡位置。

圖1 交流兩自由度混合磁軸承的工作原理

2 交流磁軸承的分類和特點

2.1 主動式和混合式

交流磁軸承按懸浮力產生的原理分類，可分為主動式磁軸承[2-3,5,7]與混合式磁軸承[4,6,8]。產生靜態懸浮力的磁通稱之為偏置磁通；產生動態懸浮力，即以克服擾動或負載的磁通稱之為控制磁通。

主動式磁軸承(Active Magnetic Bearing，AMB)采用電磁鐵同時提供偏置磁通及控制磁通，可提供較大靜態承載力。但由于線圈安匝數大，因而體積較大，且在穩態懸浮時，仍然依靠功率放大電路提供偏置磁通，因而耗能高，損耗大。目前研究比較多的為三相交流主動磁軸承[7,10,12]，如圖2所示，該磁軸承由帶有3個磁極的定子鐵心、三相勵磁線圈和轉子鐵心構成。當三相勵磁線圈通入三相交流電后產生的合成懸浮力等于轉子鐵心自身的重力和外部干擾力時，該交流磁軸承轉子可實現懸浮。目前國內江蘇大學主要研究這種結構的磁軸承，國外研究這種結構的有西班牙納瓦拉大學和韓國科技研究所。區別于三極結構磁軸承，還有一種六極結構的交流主動磁軸承[13]，如圖3所示，該交流主動磁軸承是由3個U形鐵心配以三相勵磁線圈的定子和轉子組成，其工作原理和上述磁軸承相同。

圖2 三相交流主動磁軸承結構圖

圖3 交流主動異極磁軸承結構圖

混合式磁軸承(Hybrid Magnetic Bearing，HMB)是依靠永磁體來提供偏置磁通，即永磁體產生的磁力支承轉子的自重，而電磁鐵只需提供控制磁通，保證轉子在受到干擾時能夠回到原來的懸浮位置；因而，其功放體積較小，結構緊湊，穩態運行時耗能小，損耗低[4,6,8-9]。目前國內研究的結構有雙片(3×2)六極交流兩自由度混合磁軸承[8]，如圖4所示。該磁軸承的定子由兩片相同的三相交流主動磁軸承疊加起來，這樣控制線圈(勵磁線圈)就有兩組，兩組控制線圈分別串聯連接，兩定子鐵心之間加入永磁體，產生偏置磁通，當外界沒有干擾，靜態懸浮時，偏置磁通可以使轉子懸浮于中心位置；當受到干擾時，兩組線圈同時通電產生與干擾力方向相反的磁力將轉子拉回到原來的中心位置。國內主要研究機構是江蘇大學。還有一種六極式交流兩自由度混合磁軸承[14]，如圖5所示，通過在其中3個極上嵌入永磁體，來產生偏置磁通；另外3個極纏繞三相控制線圈，當轉子受到干擾時用來控制轉子依然懸浮于平衡位置，國外研究的機構主要是韓國科技研究所。

圖4 交流兩自由度混合磁軸承結構圖

圖5 三相交流混合磁軸承結構圖

2.2 異極式和同極式

磁力線垂直于轉子軸線的磁軸承叫異極式磁軸承，在這種結構形式中，磁軸承與電動機相似，易于制造。所以目前大多數磁軸承采用異極式，但是該結構缺點是磁滯損耗比較大，因此，為了使磁滯損耗盡可能地小，轉子必須是疊片式的，即轉子的磁作用部分必須由壓緊的圓形沖片疊片而成。由于機械系統的仿真、控制系統的設計和轉子運動的測量通常都是建立在直角坐標軸的基礎上，為了使軸承的控制得以簡化，徑向磁軸承的布局一般都采用3極結構形式[10,14]，如圖2所示。在大型磁軸承的應用場合中，有時可以采用增加磁極數目的辦法實現其目的。

磁力線平行于轉子軸線的磁軸承叫做同極式磁軸承。如圖6 所示。這種布局通常被稱為同極磁鐵，其磁滯損耗比較小，轉子可以不需要疊片[8]。這種結構主要應用于那些由于各種原因致使轉子不能采用疊片的場合。這種結構采用四極電磁鐵，兩個自由度上同樣使用差動的結構。

圖6 磁力線平行于轉子軸線

2.3 磁極數目

目前交流磁軸承中的磁極數目只有兩種：3極和6極。圖2和圖4為三極結構磁軸承，圖3和圖5為6極結構磁軸承。交流磁軸承大多采用三相功率逆變器給控制線圈繞組提供勵磁電流，一個三相功率逆變器就可完全控制徑向兩自由度，且三相逆變器應用技術成熟、價格便宜、體積小巧，采用矢量控制策略，易于控制系統軟件的編程與移植，從而整體上降低了磁軸承控制系統成本。三極結構不僅易于實現對轉子徑向位移的集中控制，而且具有成本低、鐵損小、散熱性能好、繞組和傳感器安裝方便等優點，在磁軸承系統、無軸承電動機、高速飛輪儲能系統等磁懸浮支承的高速運動場合具有很好的應用前景。

3 交流磁軸承驅動方式和控制方法的研究現狀

3.1 交流磁軸承的驅動方式

目前交流磁軸承的驅動方式主要有三相逆變器驅動和矩陣變換器驅動兩種。

3.1.1 三相逆變器驅動

目前著力研究三相逆變器驅動的三極交流主動磁軸承的學者有德國克姆尼茨工業大學的Hofmann W[15]；國內浙江大學和江蘇大學也在研究逆變器驅動式磁軸承[5,8]。

Hofmann W 針對三極徑向主動磁軸承(結構如圖2所示)進行了穩態分析，并在考慮電磁和機械變量之間的相互耦合關系情況下，設計出了單極主動磁軸承的控制系統。在不同的偏置電流下，控制系統取得了較好的解耦效果，圖7為逆變器驅動的三極徑向主動磁軸承主電路拓撲[15]。

圖7 逆變器驅動的三極徑向主動磁軸承主電路拓撲

國內浙江大學研究的交流磁軸承結構以及控制框圖與Hofmann W研究的類似，如圖8所示。

圖8 三相交流主動磁軸承的控制框圖

針對三極徑向主動磁軸承，浙江大學建立了其線性解析數學模型，并用有限元軟件Ansoft/Maxwell 2D/3D對其進行了原理性驗證。設計了滯環電流跟蹤型的三相功率控制電路，在dSPACE上進行了初步試驗。而且對功率逆變電路中的電壓反饋電路、電壓滯環比較電路、脈沖分配電路、故障輸出保護電路、智能功率模塊IPM以及相應的接口電路進行了設計[5]。

江蘇大學研究了三極交流主動磁軸承和混合磁軸承[6-8,16]，主動磁軸承結構如圖2所示[7,16]，混合磁軸承結構如圖4所示[6,8]，針對這兩種結構介紹了三相逆變器驅動的交流磁軸承的基本結構與工作原理，用等效磁路法對該磁軸承的磁路進行了計算，得到了其懸浮力數學模型；根據試驗樣機懸浮磁力的要求，給出了試驗樣機材料選擇、參數設計和計算過程；利用有限元Ansoft軟件對該結構磁軸承的磁場和轉子受力情況進行仿真驗算，并采用Matlab軟件對磁軸承懸浮力非線性和徑向兩自由度之間在平衡位置附近運動的耦合性進行了計算分析，并給出了詳細的控制框圖，如圖1所示。研究結果表明：這兩種磁軸承機械和磁路結構合理，懸浮力滿足設計要求，且在平衡位置附近具有較好的線性和對稱性，徑向兩自由度之間幾乎沒有運動耦合。

3.1.2 矩陣變換器驅動

矩陣式變換器是一種先進拓撲結構的“全硅”功率變換器，它允許頻率單級變換，無需大容量的貯能元件，而且輸入電流、輸出電壓正弦，輸入功率因數可達到0.99以上并可自由調節，能量可雙向流動。

這種驅動方式是2008年在日本舉行的第十一屆國際磁軸承會議中由西班牙Javier Vadillo提出來的[17]。當時提出這種驅動方法是基于直接空間矢量調制策略并與傳統電壓源逆變器驅動方式進行了仿真比較，證實了這種新的驅動方法的合理性。對于矩陣變換器，運用快速Fourier分析證明了輸入濾波器的設計更加簡單、有效，造價更加低廉。整個系統與電網的關系顯著提高。與電壓源逆變器相比，矩陣變換器的這個重要特點以及牢固性強、靈活性能優越等優點都將使其成為未來電源應用場所的新亮點，雖然只做了仿真試驗，但為今后國內、外學者的研究提供了寶貴的參考依據。

3.2 交流磁軸承的控制方法

3.2.1 冗余坐標法

韓國的Park S H提出采用冗余坐標法對基于PD控制的交流徑向主動磁軸承系統進行解耦，并針對推導的系統公式和提出的解耦控制策略，對系統的數學模型進行了可控性分析。結果表明這種控制器可以使轉子實現轉速為5 000 r/min的穩定懸浮，并具有良好的動態性能和靜態性能[18]。

3.2.2 滑模控制法

西班牙學者Beizama A M 為了分析外部擾動作用于轉子的性能，對滑模控制(SMC)和極點配置控制(PPC)下的三極徑向磁軸承的性能做了比較[19](圖9～圖10)。圖9～圖10表明，極點配置控制的試驗結果與仿真結果不太吻合；然而滑模控制法的兩個結果卻十分相似，證明了滑模控制法具有高可靠性以及幾乎不受參數變化和模型動態性能影響的優越性能。臺灣學者Chen Shyhleh針對電流控制三極磁軸承轉子系統[20]，設計完成了3個控制器：線性狀態反饋控制器、基于反饋線性化的線性狀態控制器、滑模控制器。對3個控制器進行比較后，可以證明滑模控制器可以使系統產生最好的瞬態和穩態性能[20]。

圖9 滑模控制與極點配置下的x方向上階躍響應曲線

圖10 滑模控制與極點配置下的暫態響應曲線

3.2.3 基于INFORM方式的無傳感器控制法

基于INFORM方式的無傳感器控制法是由奧地利維也納工業大學的Hofer M 提出，并用于永磁偏置三相混合磁軸承的一種控制方法[21]。INFORM 方法是基于電壓注入法來進行轉子位置測量的。通過試驗，將無傳感器INFORM信號與傳感器信號進行比較，證明INFORM方法的可行性。測量的對比信號圖如圖11所示。可以通過改變參數，比如偏置磁通、線圈匝數、鐵心長度和轉子類型等，對混合磁軸承模型進行優化，進而提高INFORM的控制性能。

圖11 轉子由x=-0.4 mm到中心位置的位移信號圖

3.2.4 基于卡爾曼濾波器的位移自檢測控制法

卡爾曼濾波器的位移自檢測控制是由日本九州大學的Matsuda K于2006年提出的[22]。這種方法通過引入卡爾曼濾波器來解決視角偏差問題。為了證明這種方法的有效性，開發了一個用于估算三極磁軸承徑向位移和轉速的卡爾曼濾波器。通過一個線性功率放大器電路驅動，使電流流入線圈。線圈端部電壓以100 Hz的截止頻率通過一個模擬的一階低通濾波器。設計的卡爾曼濾波器運用濾過的線圈電壓和控制器輸入量作為計算評估的輸入；非視角偏差則作為未知狀態。卡爾曼濾波器通過測出的輸入、輸出數據進行數字仿真。結果表明，偏差的確和預測的測量值產生重疊。

3.2.5 傳統PID控制法

傳統的PID控制法是目前用得最多的磁軸承控制方法，國內江蘇大學運用傳統PID控制法已經實現多個交流磁軸承試驗臺的穩定懸浮[6]。比較有代表性的就是交流三自由度混合磁軸承試驗臺(圖12)以及交流兩自由度混合磁軸承試驗臺。

圖12 交流三自由度混合磁軸承試驗臺

4 交流磁軸承的發展趨勢

磁軸承技術目前在機械行業及航空航天等領域有部分應用。交流磁軸承的發展趨勢主要集中在以下方面。

(1)由于交流磁軸承采用三級結構，其徑向兩自由度位移控制之間存在耦合。因此，需要采用非線性多變量解耦控制策略，研究實現交流磁軸承高精度多變量的解耦控制。

(2)交流磁軸承無傳感器技術研究。通過辨識磁軸承線圈中的電流或電壓變化，間接獲取位移的變化量，而不需要位移傳感器，因此，能降低成本、減小體積、提高系統可靠性，在工業上有很廣闊的應用前景。

(3)控制系統的智能化、集成化發展。為了滿足磁軸承應用上的高性能、高可靠性和低成本，磁軸承控制系統向數字化、智能化、集成化發展是必然趨勢，尤其是電子元器件和機械電子器件的小型化趨勢。

(4)交流磁軸承的工業應用。研究磁軸承的最終目的是工業應用，由于具有多種優點，磁軸承的應用行業正迅速從傳統的渦輪機械、高速機床等行業向新行業突破，如人工心臟血液泵、干燥機、精密位置平臺及計算機硬盤等應用領域。

5 結束語

交流磁軸承具有整體體積小、重量輕、效率高及成本低等特點，在各類懸浮支承領域具有廣闊的應用前景。文中從交流磁軸承的系統組成、工作原理、分類及特點、驅動方式和控制方法等不同角度對交流磁軸承進行了詳盡分類與比較，分析和討論了幾種典型的交流磁軸承，總結和歸納了目前的控制方法和驅動方式，指出了交流磁軸承的研究發展方向。